JP2007311886A - 広帯域アンテナ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板と簡単な板金製金具を用いて構成できる広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】プリント基板１と、板金製の放射素子２により構成され、放射素子２は、筒状の円錐を中心軸方向に切断した形状で、その切断した縁の部分にしろを有し、プリント基板１の表と裏の面には、放射素子のしろの部分の形状に合わせて導体パターンが配置され、かつ、表と裏の導体パターンが導通され、プリント基板の表および裏の導体パターンに沿って、放射素子のしろの部分が接続され、プリント基板の表面の下部から上部の導体パターンに向かって、給電用のマイクロストリップラインが配置され、プリント基板の裏面には、マイクロストリップラインの裏側に相当する部分にグランド導体が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板と簡単な板金製金具を用いて構成できる広帯域アンテナに関する。

図１６は、従来のアンテナの例１である。一般に、バイコニカルアンテナと呼ばれているアンテナである。この構造をそのまま製作するには、放射素子１０１及び１０２の部分の製作が難しい。通常は、金属片を切削によって製作するが、非常に高価で重くなる。別の方法としては、板金を丸めて、丸めた端でハンダ付けする方法があるが、円周状にきれいに仕上げることが難しい。

また、同軸中心導体１０４に、放射素子１０１をハンダ付けすると、放射素子１０１の重みで、同軸中心導体１０４が曲がってしまったり、わずかな力で破壊してしまう可能性が高い。

さらに、同軸外部導体１０５の先端部と放射素子１０２をハンダ付けすることが簡単ではないなどの問題点がある。

図１７は、従来のアンテナの例２である。一般に、ディスコーンアンテナと呼ばれているアンテナである。この構造をそのまま製作する場合にも、上記図１６の場合と同様の問題がある。

また、誘電体円板上にマイクロストリップアンテナ導体を設けたものと略円錐状の金属コーンとを組合せ、マイクロストリップアンテナ導体の中心と金属コーン上端部の中心部とを結合すると共に、マイクロストリップアンテナ導体の中心近傍に同軸上の給電線路の中心導体を結合し、金属コーンの上端部と給電線路の外部導体とを結合した全方位アンテナがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平０２−１２１５０５号公報

しかしながら、従来のバイコニカルアンテナ及びディスコーンアンテナは、構造が立体的であり、製造するには、部品を切削加工で作ったり、精巧な手作りが必要である等、安価に製作することは難しかった。特に、図１６において、原理に忠実にアンテナを製作すると、同軸中心導体１０４部分のみで、上側の放射素子１０１を支える構造になっており、放射素子１０１を十分な強度で保持する構造が難しいという問題があった。

そこで本発明は、バイコニカルアンテナ及びディスコーンアンテナの原理を踏襲し、プリント基板と簡単な板金製金具を用いることで、容易で安価な広帯域アンテナ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明による広帯域アンテナは、プリント基板と、板金製金具により構成され、前記板金製金具は、筒状の形状を中心軸方向に切断した形状で、その切断した縁の部分にしろを有し、前記プリント基板の表と裏の面には、前記板金製金具のしろの部分の形状に合わせて導体パターンが配置され、かつ、表と裏の導体パターンが導通され、前記プリント基板の表および／または裏の導体パターンに沿って、前記板金製金具のしろの部分が接続され、前記プリント基板の表面の下部から上部の導体パターンに向かって、給電用のマイクロストリップラインが配置され、前記プリント基板の裏面には、前記マイクロストリップラインの裏側に相当する部分にグランド導体が形成されることを特徴とする。

更に、前記プリント基板の表と裏の面に配置される導体パターンは、Ｖ字状の導体パターンと、逆Ｖ字状の導体パターンが、その頂部を向き合うようにして上下に配置され、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部は、縦に隙間を有し、前記板金製金具は、錘状の形状を中心軸方向に切断し、先端部分を開口した形状であり、前記プリント基板の表および／または裏のＶ字状導体パターン及び逆Ｖ字状導体パターンに沿って上下に対向して配置され、前記マイクロストリップラインは、前記プリント基板の表面の下部から、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部に向かって配置され、このマイクロストリップラインの上端は、前記逆Ｖ字状導体パターンの頂部中央の隙間を通り、上側のＶ字状導体パターンの頂部に接続され、前記グランド導体は、前記マイクロストリップラインより幅が太く形成され、テーパ状に次第に幅が細くなりながら、上方に伸び、プリント基板裏面の逆Ｖ字状導体パターン頂部に接続される。

あるいは、前記プリント基板の上端部に直交して配置された放射素子を更に有し、前記プリント基板の表と裏の面に配置される導体パターンは、逆Ｖ字状の導体パターンと、その頂部から分離して配置された上部導体パターンとから構成され、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部は、縦に隙間を有し、前記放射素子は、前記上部導体パターンに接続され、前記板金製金具は、錘状の形状を中心軸方向に切断し、先端部分を開口した形状であり、前記プリント基板の表および／または裏の逆Ｖ字状導体パターンに沿って配置され、前記マイクロストリップラインは、前記プリント基板の表面の下部から、表面の逆Ｖ字状の導体パターンの頂部に向かって配置され、このマイクロストリップラインの上端は、前記逆Ｖ字状導体の頂部中央の隙間を通り、前記上部導体パターンに接続され、前記グランド導体は、前記マイクロストリップラインより幅が太く形成され、テーパ状に次第に幅が細くなりながら、上方に伸び、プリント基板裏面の逆Ｖ字状導体パターン頂部に接続される。

本発明によれば、プリント基板と板金製金具を組み合わせることにより、容易に広帯域のアンテナが構成できる。本アンテナの特徴は、簡単な構成、安価、構造的に丈夫、広帯域なアンテナが構成できることである。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による広帯域アンテナの第１の実施例の構成を示す。本広帯域アンテナは、基本的に、プリント基板１、４つの放射素子２、同軸ケーブル３及びコネクタ４から構成される。プリント基板１の両面の上下に、放射素子２がそれぞれハンダ付けされた構造である。同軸ケーブル３は、プリント基板１の下部に接続され、給電される。

なお、図１の構成と、図１６の構成の違いとして、プリント基板を用いて構成している点以外に、図１の放射素子２の形状が、筒状であり、頂部においても開口していることである。なお、図１６の構成では、いずれの放射素子も開口していない。

図２は、放射素子２の構成図である。筒状の円錐を中心軸（回転体の場合、回転中心軸）方向に面で切断し、その切断面にフランジ（しろ）５を付加した構造になっている。材料は、薄い金属などの導体が用いられる。実際の製造では、板金の折り曲げ加工などで安価に作ることが可能である。

図３は、プリント基板の構成図である。（１）が表面図、（２）が裏面図、（３）が表面からの透視図である。（１）の表面図では、上側にＶ字状の銅箔パターンである導体１１が配置されている。また、下側には、中心から広がるように傾斜した帯状の銅箔パターンである導体１２が左右対称に２つ配置されている。そして、プリント基板の下端から、帯状の銅箔パターンの導体として、マイクロストリップライン１５が上方に延び、左右の導体１２の間を、導体１２に接触しないように通り、導体１１の下端部に接続される。

（２）の裏面図では、上側にＶ字状の銅箔パターンである導体１３が配置されている。下側にも、Ｖ字状の銅箔パターンである導体１３が、逆さまに配置されている。そして、プリント基板の下端から、帯状の銅箔パターンの導体として、グランド１６が上方に延び、下側の導体１３の逆Ｖ字状頂部に接続される。

（３）の透視図では、表面と裏面の銅箔パターンの関係が示されている。表面の上側の導体１１と裏面の上側の導体１３は、表と裏で、同じ大きさ、同じ形状、同じ位置で配置される。そして、複数のスルーホール１０によって、電気的に接続される。スルーホールは、ビアホールとも呼ばれ、電気的に導通させる機能がある。代替としては、導体のピンなどを貫通させ、表と裏でハンダ付けする方法もある。このスルーホール１０は、使用する最高周波数の波長に対して、なるべく小さくすることが望ましい。一般的には、最高使用周波数の波長の１／４より短い間隔で配置されることが望ましい。

また、表面の下側の導体１２と裏面の下側の導体１３は、表の導体１２が裏の導体１３の傾斜部と、同じ大きさ、同じ形状、同じ位置で配置される。そして、上記同様、複数のスルーホール１０によって、電気的に接続される。ここで、注意されるべきことは、上側の導体１１と導体１３では、Ｖ字状の頂部を含めて、スルーホール１０で導通される構造であったが、下側では、導体１３の逆Ｖ字の頂部のみは、スルーホールで導通しない構造になっている。これは、表面の２つの導体１２の間に、給電のためのマイクロストリップライン１５が配置されているからである。

表面のマイクロストリップライン１５は、裏面のグランド１６と、その中心線が同じ位置になるように配置される。マイクロストリップライン１５は、裏側のグランド１６と共に、マイクロストリップ線路を構成しており、それぞれの幅は任意である。通常は、マイクロストリップライン１５の幅の方が、グランド１６の幅よりも広いことが一般的である。

図３の例では、マイクロストリップライン１５の幅は、導体１１との接続部で細く、下端部でやや広くなるようにテーパ状になっている。裏側のグランド１６も、下側の導体１３との接続部でやや細く、下端部で広くなるようにテーパ状になっている。この場合、グランド１６の下端部での幅は、マイクロストリップライン１５の下端部での幅より２〜３倍程度広くなり、不平衡のマイクロストリップ線路となる。マイクロストリップライン１５とグランド１６の幅が徐々に広くなっているのは、インピーダンス整合のためであり、必要に応じて、一定の幅であったり、マイクロストリップライン１５とグランド１６の幅が同じであったりすることもある。

図４は、プリント基板の給電部、すなわち、導体１１及び導体１３との接続部付近の構成を示す。特に、（１）の表面給電部において、マイクロストリップライン１５と、導体１１の間には、必要に応じて、インピーダンスの整合をとるための、整合ライン１７が配置されることがある。

図５は、第１の実施例の組立図である。（１）表面及び（２）裏面において、それぞれ、図２の放射素子２のフランジ５が、図３のプリント基板１の導体１１、１２、１３の斜面部に沿ってハンダ付けされる。この場合、スルーホールを通して、ビスなどで固定する方法もある。

図６は、同軸ケーブル３の接続部の構成を示す。この例では、金属の金具２０を用いた方法を説明する。金属の金具２０に、同軸ケーブルの被服をむいた先端部の同軸外部導体２１を、（２）先端部組立図のように、かしめるか、ハンダ付けして固定し、（３）表面図及び（４）裏面図に示すように、金具２０をグランド１６にハンダ付けし、同軸中心導体２２をマイクロストリップライン１５にハンダ付けする構造としている。ただし、本方法によらなくても、マイクロストリップライン１５と同軸中心導体２２、及び、グランド１６と同軸外部導体２１が電気的に接続されれば問題ない。

図７は、図２に示す以外の、その他の放射素子の構成を示す。（１）の放射素子３１は、筒状の六角錐を縦（中心軸方向）に切断し、切断面にフランジ５を付加した構造になっている。（２）の放射素子３２は、筒状の正方形または長方形の錐を縦に切断し、切断面にフランジ５を付加した構造になっている。（３）の放射素子３３は、筒状の菱形の錐を縦に切断し、切断面にフランジ５を付加した構造になっている。

なお、上記の説明において、図３の導体１１、１３をＵ字状、または、コの字状とし、導体１２を逆Ｌ字状とし、図２及び図７の放射素子を錐状ではなく、それぞれ円筒、多角形の筒とする構成も可能である。

また、本実施例の広帯域アンテナの指向特性は、従来のバイコニカルアンテナと同等である。

図８は、本発明による広帯域アンテナの第２の実施例の構成を示す。プリント基板４１、２つの放射素子４２、２つの放射素子２、同軸ケーブル３及びコネクタ４から構成される。プリント基板４１の上端部の両面に、プリント基板に対して垂直になるように放射素子４２がそれぞれハンダ付けされ、プリント基板４１の下側の両面に、放射素子２がそれぞれハンダ付けされた構造である。同軸ケーブル３は、プリント基板１の下部に接続され、給電される。

ここで、放射素子４２は、金属などの導体の板より構成され、半円状の板の端部を折り曲げた構造になっている。ただし、ここで放射素子４２は、半円状に限らず、図７（１）、（２）、（３）の断面のように、六角形や正方形、長方形、菱形の半分の形状でも可能である。また、任意の多角形や楕円の半分の形状、プリント基板に対して垂直な導体線でも代替可能である。

図９は、プリント基板の構成図である。（１）が表面図、（２）が裏面図、（３）が表面からの透視図である。（１）の表面図では、上側に水平で帯状の銅箔パターンである導体５０が配置されている。また、下側には、中心から広がるように傾斜した帯状の銅箔パターンである導体１２が左右対称に２つ配置されている。そして、プリント基板の下端から、帯状の銅箔パターンの導体として、マイクロストリップライン１５が上方に延び、左右の導体１２の間を、導体１２に接触しないように通り、導体５０の中央の下端部に接続される。

（２）の裏面図では、表側同様、水平で帯状の銅箔パターンである導体５０が配置されている。下側には、Ｖ字状の銅箔パターンである導体１３が、逆さまに配置されている。そして、プリント基板の下端から、帯状の銅箔パターンの導体として、グランド１６が上方に延び、下側の導体１３の逆Ｖ字状頂部に接続される。

（３）の透視図では、表面と裏面の銅箔パターンの関係が示されている。表面の上側の導体５０と裏面の上側の導体５０は、表と裏で、同じ大きさ、同じ形状、同じ位置で配置される。そして、複数のスルーホール１０によって、第１の実施例同様に、電気的に接続される。

また、表面の下側の導体１２と裏面の下側の導体１３は、表の導体１２が裏の導体１３の傾斜部と、同じ大きさ、同じ形状、同じ位置で配置される。そして、上記同様、複数のスルーホール１０によって、電気的に接続される。この部分の構造も、実施例１と同様である。さらに、表面のマイクロストリップライン１５は、裏面のグランド１６と、その中心線が同じ位置になるように配置される。この部分も、実施例１と同様である。

図１０は、第２の実施例の組立図である。表面及び裏面において、それぞれ、図２の放射素子２のフランジ５が、図９のプリント基板４１の導体１２、１３の斜面部に沿ってハンダ付けされる。また、放射素子４２の下に折り曲げられたフランジ部分が、導体５０に沿ってハンダ付けされる。実施例１同様、スルーホールを通して、ビスなどで固定する方法もある。

また、本実施例の広帯域アンテナの指向特性は、従来のディスコーンアンテナと同等である。

図１１は、本発明による広帯域アンテナの第３の実施例の構成図を示す。図８との違いは、２つの半円状放射素子４２の代わりに、１つの円状放射素子４３が用いられていることである。放射素子４３は、２つの放射素子４２の代替であるから、放射素子４２の考え方を用いれば、六角形や正方形、長方形、菱形、任意の多角形や楕円の形状、さらに、プリント基板に対して垂直な導体線でも代替可能である。

図１２は、第３の実施例の組立図である。図１０との違いは、放射素子４２の代わりの放射素子４３が、導体５０とハンダ付けで接続されることである。

図１３は、本発明による広帯域アンテナの第４の実施例の構成図を示す。図１との違いは、放射素子２が片面にしかないことである。

図１４は、本発明による広帯域アンテナの第５の実施例の構成図を示す。図８との違いは、放射素子２が片面にしかないことである。

この他に、図１３において、放射素子２が、表面の上側のみと、裏面の下側のみに配置される場合、およびその逆の構成がある。この考え方は、図１４の場合にも適用できる。

図１５は、本発明による試作アンテナのリターンロスを測定したデータである。試作したアンテナは、図１の構成となっている。具体的な寸法は、放射素子２の高さが２０．５ｍｍ、円錐の開き角度が１２．９度である。円錐の直径は最大部で、１２．６ｍｍ、最小部で、１．６ｍｍである。このとき、図１５に示すように、２．８ＧＨｚ〜４．３ＧＨｚの範囲で、リターンロスが−９．５ｄＢ以下となり、ＶＳＷＲが２．０以下となっている。これは、約４２％の比帯域となる。

本発明による広帯域アンテナは、ＵＷＢ無線技術を用いたアンテナ、無線ＬＡＮ用アンテナ、ＷｉＭＡＸ無線技術を用いた通信に用いるアンテナ、携帯電話用（基地局、端末）アンテナ等、その他の小型で広い帯域を必要とする用途のアンテナに利用することができる。

本発明による広帯域アンテナの第１の実施例の構成図である。 放射素子の構成図である。 プリント基板の構成図である。 プリント基板給電部の構成図である。 第１の実施例の組立図である。 同軸ケーブル接続部の構成図である。 その他の放射素子の構成図である。 第２の実施例の構成図である。 プリント基板の構成図である。 第２の実施例の組立図である。 第３の実施例の構成図である。 第３の実施例の組立図である。 第４の実施例の構成図である。 第５の実施例の構成図である。 本発明による広帯域アンテナのリターンロス特性を示す図である。 従来技術のアンテナの例１を示す図である。 従来技術のアンテナの例２を示す図である。

符号の説明

１ プリント基板
２ 放射素子
３ 同軸ケーブル
４ コネクタ

Claims (6)

1. プリント基板と、板金製金具により構成され、
   前記板金製金具は、筒状の形状を中心軸方向に切断した形状で、その切断した縁の部分にしろを有し、
   前記プリント基板の表と裏の面には、前記板金製金具のしろの部分の形状に合わせて導体パターンが配置され、かつ、表と裏の導体パターンが導通され、
   前記プリント基板の表および／または裏の導体パターンに沿って、前記板金製金具のしろの部分が接続され、
   前記プリント基板の表面の下部から上部の導体パターンに向かって、給電用のマイクロストリップラインが配置され、
   前記プリント基板の裏面には、前記マイクロストリップラインの裏側に相当する部分にグランド導体が形成されることを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 前記プリント基板の表と裏の面に配置される導体パターンは、Ｖ字状の導体パターンと、逆Ｖ字状の導体パターンが、その頂部を向き合うようにして上下に配置され、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部は、縦に隙間を有し、
   前記板金製金具は、錘状の形状を中心軸方向に切断し、先端部分を開口した形状であり、前記プリント基板の表および／または裏のＶ字状導体パターン及び逆Ｖ字状導体パターンに沿って上下に対向して配置され、
   前記マイクロストリップラインは、前記プリント基板の表面の下部から、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部に向かって配置され、このマイクロストリップラインの上端は、前記逆Ｖ字状導体パターンの頂部の隙間を通り、上側のＶ字状導体パターンの頂部に接続され、
   前記グランド導体は、プリント基板裏面の逆Ｖ字状導体パターン頂部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。
3. 前記プリント基板の上端部に直交して配置された放射素子を更に有し、
   前記プリント基板の表と裏の面に配置される導体パターンは、逆Ｖ字状の導体パターンと、その頂部から分離して配置された上部導体パターンとから構成され、表面の逆Ｖ字状導体パターンの頂部は、縦に隙間を有し、
   前記放射素子は、前記上部導体パターンに接続され、
   前記板金製金具は、錘状の形状を中心軸方向に切断し、先端部分を開口した形状であり、前記プリント基板の表および／または裏の逆Ｖ字状導体パターンに沿って配置され、
   前記マイクロストリップラインは、前記プリント基板の表面の下部から、表面の逆Ｖ字状の導体パターンの頂部に向かって配置され、このマイクロストリップラインの上端は、前記逆Ｖ字状導体パターンの頂部の隙間を通り、前記上部導体パターンに接続され、
   前記グランド導体は、プリント基板裏面の逆Ｖ字状導体パターン頂部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。
4. 前記プリント基板の表と裏の導体パターンは、複数のスルーホールによって導通され、そのスルーホールの間隔が、最高使用周波数の１／４波長より短い間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載の広帯域アンテナ。
5. 前記放射素子は、円状または２つの半円状の板金製金具によって構成されることを特徴とする請求項３に記載の広帯域アンテナ。
6. プリント基板と、薄板製金具により構成される広帯域アンテナの製造方法であって、
   筒状の形状を中心軸方向に切断した形状で、その切断した縁の部分にしろを有するように板金加工で前記薄板製金具を製作し、
   前記プリント基板の表と裏の面に、前記薄板製金具のしろの部分の形状に合わせて表裏導通した導体パターンを配置し、
   前記プリント基板の表面の下部から上部の導体パターンに向かって、給電用のマイクロストリップラインを配置し、
   前記プリント基板の裏面に、前記マイクロストリップラインの裏側に相当する部分にグランド導体を形成し、
   前記プリント基板に配置された表および／または裏の導体パターンに沿って、前記薄板製金具のしろの部分をハンダ付けによって接続することを特徴とする広帯域アンテナの製造方法。

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